태양으로부터 더 많은 에너지를 얻는 방법

: By Tara P. Dhakal, Binghamton University, 뉴욕주립대학교

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월마트 지붕, 마운틴 뷰, 캘리포니아에 태양 전지 패널.
월마트 / 플리커, CC BY

개발 도상국들이 산업화로 나아감에 따라 전세계 에너지 수요가 한 시간 씩 증가하고 있습니다. 전문가들은 2050 년까지 전세계의 전기 수요가 30 테라 와트 (TW). 원근법을 위해, 1 테라 와트는 1.3 억 마리의 힘과 대략 같습니다.

태양으로부터의 에너지는 무한합니다. 태양은 주어진 순간에 우리에게 120,000 TW의 전력을 공급하며, 그것은 무료입니다. 그러나 오늘날의 태양 에너지는 단 1 % 만 세계 전기의 중요한 과제는 사진 에너지를 사용 가능한 전기 에너지로 전환하는 것이 비용을 덜들이도록하는 것입니다.

그렇게하기 위해서는 햇빛을 흡수하여 전기로 효율적으로 전환시키는 물질을 찾아야합니다. 또한, 우리는 이러한 물질을 풍부하고 환경 친화적이며 비용 효율이 높기 때문에 태양 광 장치를 제조하기를 원합니다.

전세계의 연구원들은 효율적이고 합리적인 태양 전지 기술을 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 목표는 태양열 전기의 설치 비용을 와트 당 US $ 1 이하로 유지하는 것입니다. 오늘 와트 당 약 $ 3.

빙엄 턴 대학교 (Binghamton University) 자율 태양 광 발전 센터 (CASP)우리는 자연과 무독성 물질이 풍부한 박막 태양 전지를 만드는 방법을 연구하고 있습니다. 우리는 햇빛을 전기로 전환하고 제조 비용이 저렴하면서도 신뢰할 수 있고 효율이 높은 태양 전지를 개발하고자합니다. 우리는 태양 광 흡수제로서 큰 잠재력을 가진 두 가지 물질을 확인했습니다 : 황철광, 그것은 금속 광택 때문에 바보의 금으로 더 잘 알려져 있습니다. 및 구리 - 아연 - 주석 - 설파이드 (CZTS)를 포함한다.

이상적인 소재 찾기

오늘날 상용 태양 전지는 실리콘, 카드뮴 텔루 라이드 (CdTe) 및 구리 - 인듐 - 갈륨 - 셀레 나이드 (CIGS)의 세 가지 재료 중 하나로 만들어집니다. 각각에는 강점과 약점이 있습니다.

실리콘 태양 전지는 매우 효율적이며 태양 빛의 25 퍼센트를 전기로 변환하고 매우 내구성이 있습니다. 그러나 실리콘을 웨이퍼로 가공하는 것은 매우 비쌉니다. 그리고 이들 웨이퍼는 태양 광을 흡수하기에 매우 두꺼운 두께 (0.3 밀리미터 정도)가되어야하며, 이로 인해 비용이 추가로 증가합니다.

1 세대 태양 전지로 불리는 실리콘 태양 전지는 옥상에서 친숙한 곳으로 사용되는 패널에 사용됩니다. 우리 센터는 태양 전지 기술의 차세대 박막 태양 전지라는 또 다른 유형을 연구하고 있습니다. 그 이름에서 알 수 있듯이 박막 태양 전지는 유리 또는 플라스틱과 같은 기판 위에 얇은 태양 흡수재를 깔아서 만든 것이 일반적으로 유연합니다.

이 태양 전지는 재료가 적기 때문에 실리콘으로 만든 결정질 태양 전지보다 저렴합니다. 유연한 기판 위에 결정질 실리콘을 코팅하는 것은 불가능하므로 태양 흡수재로 사용할 다른 재료가 필요합니다.

박막 태양 전지 기술이 빠르게 향상되고 있지만 오늘날 박막 태양 전지의 재료 중 일부는 드물거나 위험합니다. 예를 들어, CdTe의 카드뮴은 모든 생물체에 매우 유독하며 인간에게 암을 일으키는 것으로 알려져 있습니다. CdTe는 고온 (예 : 실험실 또는 집안의)에서 카드뮴과 텔 루륨으로 분리되어 심각한 흡입 위험을 초래할 수 있습니다.

우리는 pyrite 및 CZTS와 함께 독성이없고 매우 저렴하기 때문에 작업하고 있습니다. CZTS는 와트 당 0.005 센트, 황철광 비용 와트 당 단순 0.000002 센트. 그들은 또한 지구의 지각에서 가장 풍부한 물질 중 하나이며, 가시 광선을 효율적으로 흡수합니다. 이 필름은 1 / 1000th (밀리미터)만큼 얇을 수 있습니다.

시뮬레이션 된 태양 광에서 CZTS 태양 전지 테스트.
Tara Dhakal / Binghamton University, 저자 제공태양 전지로 제작하기 전에 이러한 물질을 결정화해야합니다. 이것은 그들을 가열하여 이루어집니다. CZTS는 섭씨 600 이하의 온도에서 결정화되며, 실리콘의 경우 1,200 섭씨 이상으로 결정되므로 처리 비용이 저렴합니다. 그것은 현재 상업적으로 이용 가능한 고효율 구리 인듐 갈륨 셀렌 (CIGS) 태양 전지와 비슷하지만이 셀의 인듐과 갈륨을보다 저렴하고 풍부한 아연과 주석으로 대체합니다.

그러나 지금까지 CZTS 태양 전지는 비교적 비효율적이다. 13 비율 더 비싼 CIGS 태양 전지에 대한 20 퍼센트와 비교해 볼 때, 태양 광의 세기는 전기에 의존한다.

우리는 CZTS 태양 전지가 30 % 효율이 될 잠재력이 있음을 압니다. 가장 큰 난제는 불순물의 흔적이없는 고품질의 CZTS 박막 합성 1이며, 2는 흡수층에 햇빛이 생성하는 전하를 수집하는 데 도움이되는 "버퍼"층에 적합한 물질을 찾습니다. 우리 연구실에서는 CZTS 박막을 제작했습니다. 7 % 효율; 고품질의 CZTS 레이어를 합성하고 적합한 버퍼 레이어를 찾아줌으로써 곧 15 퍼센트 효율성에 접근하려고합니다.

CZTS 태양 전지의 구조. Tara Dhakal / Binghamton University, 저자 제공 CZTS 태양 전지의 구조.
Tara Dhakal / Binghamton Univ., 저자 제공Pyrite는 매우 낮은 온도에서 합성 될 수있는 또 다른 잠재적 인 흡수체입니다. 우리 연구실은 pyrite 박막을 합성했으며, 이제 우리는 이러한 박막을 태양 전지로 쌓아 올리고 있습니다. pyrite가 열과 습기에 노출 될 때 쉽게 부서지기 때문에이 과정은 어렵습니다. 우리는 태양 흡수성과 기계적 성질에 영향을 미치지 않고보다 안정적인 방법을 연구하고 있습니다. 우리가이 문제를 해결할 수 있다면, "바보의 금"은 스마트 광전지 장치가 될 수 있습니다.

최근 연구에서 스탠포드 대학 (Stanford University)과 버클리 캘리포니아 대학교 (University of California Berkeley) 연구원은 태양력이 최대 45 퍼센트 2050의 미국 전기. 이러한 목표를 달성하려면 태양 광 발전 비용을 지속적으로 낮추고 태양 전지를보다 지속 가능하게 만드는 방법을 찾아야합니다. 우리는 풍부하고 독성이없는 물질이 태양력의 잠재력을 실현하는 열쇠라고 믿습니다.